MOSFET, MOS管, 开关管

MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金属氧化物半导体场效晶体管

常见封装

电路符号

MOSFET 的三端标记分别为 G, S, D(Gate, Source, Drain), 电路符号有多种形式, 最常见的如下图所示, 以一条垂直线代表沟道(Channel), 两条和沟道平行的接线代表源极(Source)与漏极(Drain), 左方和沟道垂直的接线代表栅极(Gate). 有时也会将代表沟道的直线以虚线代替, 以区分增强型(enhancement mode)MOSFET 或是耗尽型(depletion mode)MOSFET.

MOSFET 用途

MOSFET 和三极管的区别在于, MOSFET 主要不是用于放大信号, 而是用来控制电路通断. 当Gate和Source之间的电压满足条件，Drain和Source之间就导通, 电流大小由Gate, Source和Drain三极间的电压决定. 因为 MOSFET 是对称结构, 所以 Source 和 Drain 无区别, 可以互换.

耗尽型(Depletion Mode)与增强型(Enhancement Mode)

主要区别在于

耗尽型在 Gate 不加电压, 即栅极电压为0时有导电沟道存在, 而增强型只有在开启后才会出现导电沟道.
控制方式也不一样, 耗尽型的栅极电压 Vgs 可以用正,零,负电压控制导通, 增强型必须使 Vgs > Vth(栅极阈值电压) 才行.

耗尽型MOS管在实际应用中, 设备开机时可能会误触发MOS管, 导致整机失控, 所以在实际应用中使用较少. 大功率MOS管以增强型为主, 只有在中小功率产品中包含耗尽型. 常规开关电源以及类似正电压导通做开关作用的场合均为增强型, 有些放大电路, 逆变电路还有些高频电路中选择耗尽型.

常规选型以增强型为主，特定场合如需要负电压开启，开关速度需求过高，用作信号放大等等特定场合才用耗尽型

P-Channel MOSFET和 N-Channel MOSFET

常用的 MOSFET 分 PMOS 和 NMOS 两种. 在MOS中，有两种载流子，电子和空穴, 分别代表N和P, NMOS的载流子是电子, PMOS的载流子是空穴.

NMOS: 箭头朝内, Gate需要加正电压(可以形象理解为顶回箭头)才能导通, 电流从 Drain 流向 Source.
PMOS: 箭头朝外, Gate需要加负电压(可以形象理解为拉回箭头)才能导通, 电流从 Sourc 流向 Drain.

使用上的区别

NMOS是 Vg 高电平导通, 用来控制与 GND 之间的导通, Source一般接 GND. 在电路中属于下位控制
PMOS是 Vg 低电平导通, 用来控制与 VCC 之间的导通, Source一般接 VCC. 在电路上属于上位控制

使用 MOSFET 作为电路开关

N-Channel MOSFET 开关

在这个电路中, NMOS管用作灯的开关. 当G端高电平时灯接通, 当G端处于零电平时灯断开. 如果不是灯这样的电阻性负载, 而是线圈, 继电器这种电感性负载, 需要一个"续流二极管"与负载并联以保护MOSFET被反电压击穿.

P-Channel MOSFET 开关

在某些应用中我们需要使用PMOS管. 这时候负载接地, MOSFET开关连接在负载和VCC供电之间, 作为高位开关, 就像使用PNP三极管一样. 在PMOS管中, 施加负的Vgs电压来导通. PMOS 是倒置的, 其Source 连接到正电源VCC, 当 Gate 端电压变低时导通, 当 Gate 端电压变高时关断.

互补MOS 电机控制器

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Y1j7FGrp-1653808722517)(https://img2022.cnblogs.com/blog/650273/202205/650273-20220515103903489-181762492.gif)]

PMOS管的这种倒置连接允许其与NMOS管串联形成一个互补器件. 这两个MOS管从双电源产生双向开关, 电机连接在公共的Drain极连接和接地参考之间.

当输入为低电平时, PMOS开启, NMOS关断, 电机朝正方向旋转, 只有正+VDD供电.
当输入为高电平时, PMOS关断, NMOS导通, 电机朝反方向旋转, 由负-VDD供电.
PMOS 用于切换电机正向正电源(高位控制), 而NMOS 用于切换电机反向负电源(低位控制).
为避免两个MOS管在双电源的两个极性上同时导通, 需要在一个"关断"和另一个"导通"之间留时间差, 解决这个问题的一种方法是分别驱动两个MOS管的Gate, 当两个MOS管都关断时, 这就产生了电机的第三个选项“停止”.

常用小功率 MOS 管

型号类型最大电压, 最大电流, Vth阈值电压, 连通电阻
SI2301 P-MOS, 20V, 2.8A, 0.45V - 0.9V, 120mΩ - 150mΩ
SI2302 N-MOS, 20V, 3.0A, 0.65V - 1.2V, 55mΩ - 100mΩ
AO3401 P-MOS, 30V, 4.2A, 0.7V - 1.3V, 42mΩ - 120mΩ
AO3402 N-MOS, 30V, 4.0A, 0.6V - 1.7V, 45mΩ - 110mΩ

参考阅读

https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.html
https://www.electronicshub.org/mosfet-as-a-switch/